高电学性能的铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅弛豫铁电织构陶瓷及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及压铁电材料领域。
【背景技术】
[0002]弛豫基铁电材料是一类重要的、国际竞争极为激烈的多功能材料。利用弛豫基铁电材料非常独特的力、热、电、光、声和化学等方面的特殊性能，可对各类信息进行检测、转换、处理和存储，因此在工业、民用和国防军事等领域应用非常普遍，例如工业无损探测、医学超声成像、水下声纳、固态大位移量压电驱动器等。近年来，全球电子信息技术的高速发展对信息功能材料及器件提出了更高的要求，使得开发新一代高性能的弛豫基铁电材料成为一项迫切的、具有重大社会和经济价值的国际课题。
[0003]新型铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅[xPb(Inl72Nbl72) O3- (l-x-y) Pb (Mg1/3Nb2/3)03-yPbTi03,简写为PIN-PMN-PT]基三元系弛豫型铁电材料非常有希望同时兼顾高的相变温度和优异的压电性能，可望成为新一代高灵敏度的大功率机电器件和高温压电器件的首选材料体系。目前，国内外针对该三元系弛豫铁电材料的研宄主要集中在PIN-PMN-PT单晶方面。然而，该三元系单晶组分容易分凝导致电学性能稳定性不佳、可利用晶体尺寸受限、生长周期长且制备单晶的成本昂贵。此外，该单晶力学性能较差，导致难以加工成复杂形状，并且其内部缺陷容易生长，进而降低其使用寿命。这些问题的存在使得目前PIN-PMN-PT单晶还很难达到实际应用和批量化生产的水平。与单晶相比，陶瓷制备工艺简单，生产成本低、性能稳定、具有较高的断裂韧性，并且较容易制成大尺寸或外形复杂的器件以满足不同使用要求，因此其应用范围远远高于相应单晶。然而，目前所制备的PIN-PMN-PT基陶瓷中晶粒随机分布成任意取向，使得各个方向的性能部分相互抵消，其整体电学性能非常低，已成为该三元系弛豫铁电陶瓷发展的一个瓶颈。
[0004]晶粒在外界条件作用下沿某一方向定向生长的陶瓷称为织构陶瓷。高质量的织构陶瓷具有显著的各向异性特点，可望具有类似同组分单晶优势方向的压电性能，同时继承了陶瓷材料组分均匀、电学性能稳定、断裂韧性高、容易制成大尺寸等优点，因而受到了国际材料研宄领域的广泛关注。本发明以PIN-PMN-PT基细晶粉体为基体母体，以片状BaT13(BT)微晶为模板，采用模板晶粒定向生长技术制备了沿[001]择优取向的PIN-PMN-PT基三元系织构陶瓷，期望实现类似于单晶材料的高相变温度兼顾高压电性能。
【发明内容】
[0005]本发明要解决现有PIN-PMN-PT单晶组分分凝致使电学性能稳定性不佳、可利用晶体尺寸受限、力学性能差、使用寿命低、生长周期长、制备单晶的成本昂贵，且PIN-PMN-PT基陶瓷中晶粒随机分布成任意取向，使得各个方向的性能部分相互抵消，其整体电学性能低的问题，而提供高电学性能的铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅弛豫铁电织构陶瓷及其制备方法和应用。
[0006]本发明高电学性能的铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅弛豫铁电织构陶瓷的化学通式为 xPb(In1/2Nb1/2) O3-(Ι-χ-y) Pb (Mg1/3Nb2/3)03-yPbTi03-avol.% BaT13,其中，0.16 ^ X ^ 0.36，0.26 ^ y ^ 0.36，0〈a ( 10 ;所述的高电学性能的铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅弛豫铁电织构陶瓷沿[001]方向的取向度为90%以上，三方-四方相变温度达120°C以上，居里温度达200°C以上，压电常数达1550pC/N以上。
[0007]本发明中xPb (In1/2Nb1/2) O3-(Ι-χ-y) Pb (Mg1/3Nb2/3) 03-yPbTi03_avol.% BaT13,其中，0.16 彡 X 彡 0.36，0.26 彡 y 彡 0.36，0〈a ( 10 具体表示当 xPb (In1/2Nb1/2) O3-(Ι-χ-y)Pb (Mgl73Nb273) 03-yPbTi03体积为 100 份时，BaT1 3的体积为 a 份。
[0008]高电学性能的铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅弛豫铁电织构陶瓷的制备方法是按以下步骤完成的:
[0009]一、采用二步合成法制备纯相的 xPb (In1/2Nb1/2) O3- (Ι-χ-y) Pb (Mgl73Nb273)03-yPbTi03细晶基体粉体，其中 0.16 彡 x 彡 0.36，0.26 ^ y ^ 0.36:
[0010]①、采用固相反应法分别合成纯相的MgNb2O6前驱体粉体和纯相的InNbO4前驱体粉体；
[0011]②、以纯相的MgNb2O6前驱体粉体和纯相的InNbO4前驱体粉体为原料，采用固相反应法合成纯相的 xPb (Inl72Nbl72) O3-(1-X-Y) Pb (Mgl73Nb273) 03-yPbTi0#ffl 晶基体粉体，其中0.16 彡 X 彡 0.36，0.26 彡 y 彡 0.36 ;
[0012]二、采用局部化学微晶取代法制备纯相的BaT13片状微晶模板:
[0013]①、采用熔盐法合成扮4113012片状微晶；
[0014]②、以Bi4Ti3O12片状微晶为前驱体，采用熔盐法合成BaBi 41^4015片状微晶:
[0015]③、以BaBi4Ti4O15片状微晶为前驱体，通过局部化学微晶取代合成纯相的BaT1 3片状微晶模板；
[0016]三、采用模板晶粒定向生长技术制备沿[001]择优取向的PIN-PMN-PT基三元系弛豫铁电织构陶瓷:
[0017]①、制备流延浆料:
[0018]将纯相的xPb (Inl72Nbl72) O3-(Ι-χ-y) Pb (Mgl73Nb273) 03-yPbTi03细晶基体粉体置于聚乙烯球磨罐中，其中，0.16 ^ X ^ 0.36,0.26 ^ y ^ 0.36，先向聚乙烯球磨罐中加入溶剂和分散剂，球磨12h?48h，再向聚乙烯球磨罐中加入粘合剂和塑化剂，球磨12h?48h，然后向聚乙稀球磨罐中加入纯相的BaT13片状微晶模板，球磨30min?60min，得到流延楽料；
[0019]所述的纯相的xPb(In1/2Nb1/2) O3-(l-x-y) Pb (Mg1/3Nb2/3)03-yPbTi0#H 晶基体粉体与纯相的BaT13片状微晶模板的体积比为100:a，其中0〈a ( 10 ;所述的纯相的 xPb (Inl72Nbl72) O3-(1-X-Y) Pb (Mgl73Nb273) 03-yPbTi0#ffl 晶基体粉体与溶剂的体积比为(0.25 ?0.50):1 ;所述的纯相的 xPb (In1/2Nb1/2) 03-(l-x-y) Pb (Mg1/3Nb2/3) 03-yPbTi03细晶基体粉体与分散剂的体积比为(8?14):1 ;所述的纯相的xPb(In1/2Nb1/2)O3-(l-x-y)Pb(Mg1/3Nb2/3)03_yPbTi0^晶基体粉体与粘合剂的体积比为(3?6):1 ;所述的纯相的xPb (Inl72Nbl72) O3- (l-x-y) Pb (Mg1/3Nb2/3) 03-yPbTi0#ffl 晶基体粉体与塑化剂的体积比为(2.5 ?5.0):1 ;
[0020]②、流延:将流延浆料抽真空去泡后，在流延速度为lcm/s?9cm/s的条件下，利用流延机将流延浆料进行流延，流延刮刀与底膜之间的距离为30 μ m?360 μ m，流延后平放静置24h，得到膜片，用切膜刀将膜片切割，得到切割好的膜片；
[0021]③、叠压:将切割好的膜片进行多层叠压，得到叠压后的膜片，叠压机参数为上压台温度为65°C?85°C，下压台温度为65°C?85°C，压力为5MPa?30MPa ；
[0022]④、热水等静压:在压力为20MPa?50MPa及水温为70°C?80°C的条件下，对叠压后的膜片进行等静压，时间为15min?60min，得到热水等静压后的膜片；
[0023]⑤、切割:将热水等静压后的膜片用切割机切割，得到切割后的素坯样品；
[0024]⑥、排胶:将切割好的素还样品放入低温炉，在升温速率为0.10C /min?0.5°C /min下，将低温炉由室温升温至550 °C?650 °C，然后在温度为550 °C?650 °C下保温Ih?6h，得到排胶后的素坯；
[0025]⑦、冷等静压:在压力为150MPa?300MPa及油温为室温的条件下，将排胶后的素坯进行等静压，时间为Imin?6min，得到冷等静压后的样品；
[0026]⑧、烧结:将冷等静压后的样品置于高温炉中，在烧结温度为1225°C?1275°C的条件下，保温3h?15h，得到沿[001]择优取向的PIN-PMN-PT基三元系弛豫铁电织构陶瓷，即化学通式为 xPb(In1/2Nb1/2) O3-(Ι-χ-y) Pb (Mg1/3Nb2/3)03-yPbTi03-avol.% BaT13 的高电学性能的铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅弛豫铁电织构陶瓷，其中，0.16 < 0.36，0.26 彡 y 彡 0.36，0〈a 彡 10。
[0027]高电学性能的铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅弛豫铁电织构陶瓷应用于超声换能器、压电驱动器及压电传感器领域。
[0028]本发明高电学性能的铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅弛豫铁电织构陶瓷的化学通式为 xPb(In1/2Nb1/2) O3-(Ι-χ-y) Pb (Mg1/3Nb2/3)03-yPbTi03-avol.% BaT13,简称为xPIN- (l-x-y) PMN-yPT-avol.% BT，其中，0.16 彡 x 彡 0.36,0.26 ^ y ^ 0.36，0〈a 彡 10 ；
[0029]本发明的有益效果是:与现有技术相比，本发明的高电学性能的铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅弛豫铁电织构陶瓷，即PIN-PMN-PT基织构陶瓷其[001]取向度高达90%以上，在压铁电领域性能优越，三方-四方相变温度达120°C以上，居里温度达200°C以上，压电常数达1550pC/N以上，可广泛应用于超声换能器、压电驱动器、压电传感器等方面。
【附图说明】
[0030]图1是本发明的高电学性能的铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅弛豫铁电织构陶瓷的制备工艺流程图；
[0031]图2是实施例一制备的高电学性能的铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅弛豫铁电织构陶瓷的XRD图谱；
[0032]图3为实施例一制备的高电学性能的铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅弛豫铁电织构陶瓷的应变-电场曲线；
[0033]图4为实施例二制备的高电学性能的铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅弛豫铁电织构陶瓷的介温频谱图；
[0034]图5为实施例三制备的高电学性能的铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅弛豫铁电织构陶瓷的XRD图谱。
【具体实施方式】
[0035]本发明技术方案不局限于以下所列举的【具体实施方式】，还包括各【具体实施方式】之间的任意组合。
[0036]【具体实施方式】一:本实施方式所述的高电学性能的铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅弛豫铁电织构陶瓷的化学通式为xPb (In1/2Nb1/2) O3- (1-x-y) Pb (Mg1/3Nb2/3)03-yPbTi03-avo1.% BaT13,其中，0.16 彡 x 彡 0.36，0.26 ^ y ^ 0.36，0〈a 彡 10 ;所述的高电学性能的铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅弛豫铁电织构陶瓷沿[001]方向的取向度为90%以上，三方-四方相变温度达120°C以上，居里温度达200°C以上，压电常数达1550pC/N以上。
[0037]本实施方式中xPMlr^Nbi/JC^-Q-x-yWMMgmNbj^C^-yPbTiC^-avol.%BaT13,其中，0.16 彡 X 彡 0.36,0.26 ^ y ^ 0.36，0〈a 彡 10 具体表示当 XPb(Inv2Nbv2)O3- (1-x-y) Pb (Mgl73Nb273) 03-yPbTi03体积为 100 份时，BaT1 3的体积为 a 份。
[0038]本实施方式的有益效果是:与现有技术相比，本发明的高电学性能的铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅弛豫铁电织构陶瓷，即PIN-PMN-PT基织构陶瓷其[001]取向度高达90%以上，在压铁电领域性能优越，三方-四方相变温度达120°C以上，居里温度达200°C以上，压电常数达1550pC/N以上，可广泛应用于超声换能器、压电驱动器、压电传感器等方面。
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